發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油泵異響的分析

□ 陳麗霞 □ 侯 麗 □ 胡 廣 □ 湯守哲

寧波吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)零部件有限公司 浙江寧波 315336

1 發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油泵概述

發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油泵的作用是提高機(jī)油壓力,強(qiáng)制壓送機(jī)油至發(fā)動(dòng)機(jī)各零部件運(yùn)動(dòng)表面進(jìn)行潤(rùn)滑。在發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油泵中,變排量機(jī)油泵根據(jù)油道內(nèi)壓力,通過反饋系統(tǒng)和調(diào)節(jié)系統(tǒng)提高機(jī)油壓力,再將機(jī)油壓送到發(fā)動(dòng)機(jī)各零部件表面,提供潤(rùn)滑。二級(jí)可變排量機(jī)油泵的輸出壓力能夠根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷變化自動(dòng)調(diào)整,可以降低能耗。汽車在不同工況下采用變排量機(jī)油泵供給機(jī)油,在滿足發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑要求的基礎(chǔ)上,能夠減少能量損失,降低油耗。

2 故障情況

2.1 故障1

某車輛在試車時(shí)出現(xiàn)異響問題,經(jīng)過排查,發(fā)現(xiàn)P擋加速到2 500 r/min開始松油門,存在發(fā)動(dòng)機(jī)嘯叫異響。通過噪聲、振動(dòng)、聲振粗糙度專業(yè)設(shè)備進(jìn)行異響源探測(cè),在熱機(jī)怠速工況下,在駕駛員左耳和副駕駛員右耳布置傳感器進(jìn)行噪聲監(jiān)測(cè),在發(fā)動(dòng)機(jī)與變速器接合面和發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼底部布置傳感器進(jìn)行振動(dòng)檢測(cè),檢測(cè)點(diǎn)如圖1所示。

▲圖1 故障1噪聲和振動(dòng)檢測(cè)點(diǎn)

通過對(duì)異響車輛和不異響車輛進(jìn)行評(píng)價(jià),發(fā)現(xiàn)車輛內(nèi)異響聲大小與發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼底部的振動(dòng)大小相對(duì)應(yīng),噪聲和振動(dòng)檢測(cè)結(jié)果如圖2所示。

車輛內(nèi)異響大小與發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器接合面的傳遞無關(guān)聯(lián),故障鎖定為發(fā)動(dòng)機(jī)本體問題。通過對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)零部件進(jìn)行更換驗(yàn)證,發(fā)現(xiàn)異響跟隨機(jī)油泵發(fā)生,機(jī)油泵更換前后噪聲和振動(dòng)檢測(cè)結(jié)果如圖3所示。

▲圖2 故障1噪聲和振動(dòng)檢測(cè)結(jié)果▲圖3 故障1機(jī)油泵更換前后噪聲和振動(dòng)檢測(cè)結(jié)果

通過檢測(cè)結(jié)果、三方主觀評(píng)價(jià)和故障復(fù)現(xiàn)情況,確認(rèn)發(fā)動(dòng)機(jī)嘯叫異響問題為機(jī)油泵故障導(dǎo)致。

2.2 故障2

工廠反饋,某車輛在熱試時(shí)發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)前端有敲擊異響。通過噪聲、振動(dòng)、聲振粗糙度專業(yè)設(shè)備進(jìn)行異響源探測(cè),在駕駛員左耳布置噪聲檢測(cè)點(diǎn),如圖4所示,在發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼前端布置振動(dòng)檢測(cè)點(diǎn),在1 000r/min怠速升速至2 500 r/min以后松油門,降至怠速工況進(jìn)行評(píng)價(jià),發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼前端噪聲及振動(dòng)能量較大,出現(xiàn)周期性寬頻敲擊特征。噪聲和振動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖5所示。通過更換機(jī)油泵,異響消失。機(jī)油泵更換后噪聲和振動(dòng)檢測(cè)結(jié)果如圖6所示。

▲圖4 故障2噪聲檢測(cè)點(diǎn)

通過測(cè)試數(shù)據(jù)、三方主觀評(píng)價(jià)和故障復(fù)現(xiàn)情況,確認(rèn)發(fā)動(dòng)機(jī)前端敲擊異響問題為機(jī)油泵故障導(dǎo)致。

3 原因分析

3.1 故障1

故障機(jī)油泵為變排量機(jī)油泵,可以根據(jù)負(fù)荷調(diào)整排量,結(jié)構(gòu)如圖7所示。

▲圖5 故障2噪聲和振動(dòng)檢測(cè)結(jié)果▲圖6 故障2機(jī)油泵更換后噪聲和振動(dòng)檢測(cè)結(jié)果

▲圖7 故障1異響機(jī)油泵結(jié)構(gòu)

異響機(jī)油泵齒輪外觀未發(fā)現(xiàn)磕碰,齒輪完好,如圖8所示。無異響機(jī)油泵齒輪外觀同樣未發(fā)現(xiàn)磕碰,齒輪完好。

▲圖8 故障1異響機(jī)油泵齒輪外觀

對(duì)機(jī)油泵的尺寸進(jìn)行檢測(cè),包括機(jī)油泵齒輪表面跳動(dòng)、機(jī)油泵端面與銷孔垂直度、齒輪軸與銷孔軸垂直度、齒輪軸跳動(dòng)等。異響機(jī)油泵和無異響機(jī)油泵的尺寸無明顯差異,其中,異響機(jī)油泵齒輪軸與銷孔軸垂直度還優(yōu)于無異響機(jī)油泵。

對(duì)機(jī)油泵齒輪齒型進(jìn)行檢測(cè),均合格。異響機(jī)油泵齒輪齒型與無異響機(jī)油泵齒輪齒型無明顯差異,判斷齒輪齒形參數(shù)不是導(dǎo)致異響問題的直接原因。

對(duì)機(jī)油泵齒輪齒面粗糙度進(jìn)行檢測(cè),均合格,結(jié)果見表1。異響機(jī)油泵齒輪齒面粗糙度與無異響機(jī)油泵齒輪齒面粗糙度無明顯差異,判斷齒輪齒面粗糙度不是導(dǎo)致異響問題的直接原因。

表1 故障1機(jī)油泵齒輪齒面粗糙度檢測(cè)結(jié)果 μm

對(duì)機(jī)油泵齒輪齒面波紋度進(jìn)行檢測(cè),異響機(jī)油泵檢測(cè)結(jié)果如圖9所示,無異響機(jī)油泵檢測(cè)結(jié)果如圖10所示。異響機(jī)油泵齒輪齒面波紋度呈鋸齒狀,無異響機(jī)油泵齒輪齒面波紋度光滑整齊,控制較好。

▲圖9 故障1異響機(jī)油泵齒輪齒面波紋度檢測(cè)結(jié)果

異響機(jī)油泵齒輪齒面波紋度較差,在工作齒面存在連續(xù)波浪形態(tài)或局部較長(zhǎng)凸起、凹陷的情況下,機(jī)油泵會(huì)產(chǎn)生嘯叫問題。通過對(duì)不同齒面波紋度的機(jī)油泵齒輪進(jìn)行分析,總結(jié)參數(shù),發(fā)現(xiàn)機(jī)油泵齒輪的齒形公差和齒相公差需控制在2.0 μm以內(nèi),有效工作齒面嚴(yán)禁出現(xiàn)連續(xù)波浪形態(tài)或局部較長(zhǎng)凸起、凹陷的情況,這樣機(jī)油泵可以避免嘯叫問題。

對(duì)機(jī)油泵齒輪動(dòng)平衡進(jìn)行檢測(cè),異響機(jī)油泵與無異響機(jī)油泵影響齒輪動(dòng)平衡的減重孔無明顯差異,位置度均合格,判斷減重孔位置度不是導(dǎo)致異響問題的直接原因。

對(duì)異響機(jī)油泵裝配齒輪間隙進(jìn)行檢測(cè),檢測(cè)結(jié)果為0.1～0.12 mm,間隙要求為0.04～0.13 mm,檢測(cè)結(jié)果滿足要求。

對(duì)機(jī)油泵總成進(jìn)行檢測(cè),異響機(jī)油泵前后殼體軸承孔同軸度、機(jī)油泵殼體軸承孔與定位銷孔平行度和無異響機(jī)油泵相比,無明顯差異,異響機(jī)油泵前后殼體互換軸承孔同軸度及平行度一致性較好。

▲圖10 故障1無異響機(jī)油泵齒輪齒面波紋度檢測(cè)結(jié)果

對(duì)曲軸齒輪分度圓及曲軸齒輪端面跳動(dòng)進(jìn)行檢測(cè),曲軸齒輪分度圓的檢測(cè)結(jié)果為0.009 3～0.018 2 mm,要求為不大于0.06 mm,曲軸齒輪端面跳動(dòng)的檢測(cè)結(jié)果為0.048 7～0.057 7 mm,要求為不大于0.15 mm,均滿足要求。

對(duì)機(jī)油泵和曲軸齒輪的接觸斑點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè),檢測(cè)方法為在曲軸齒輪左右齒面涂覆一層紅色涂料,如圖11所示,裝配異響機(jī)油泵和無異響機(jī)油泵進(jìn)行嚙合評(píng)價(jià),如圖12所示。通過檢測(cè)發(fā)現(xiàn),異響機(jī)油泵及無異響機(jī)油泵和曲軸齒輪的接觸斑點(diǎn)分布存在明顯差異。異響機(jī)油泵接觸斑點(diǎn)分布于齒輪一側(cè),呈對(duì)角接觸,如圖13所示。無異響機(jī)油泵接觸斑點(diǎn)分布于齒輪中間位置,如圖14所示。通過仿真計(jì)算,在機(jī)油泵齒輪和曲軸齒輪平行無偏差的情況下,機(jī)油泵接觸斑點(diǎn)應(yīng)分布于齒輪中間位置,如圖15所示。如果機(jī)油泵齒輪與曲軸齒輪有0.5°偏差,那么機(jī)油泵接觸斑點(diǎn)分布于齒輪一側(cè),如圖16所示。

▲圖11 曲軸齒輪涂覆涂料

▲圖12 故障1機(jī)油泵嚙合評(píng)價(jià)▲圖13 故障1異響機(jī)油泵接觸斑點(diǎn)

接觸斑點(diǎn)檢測(cè)與理論分析說明裝配后機(jī)油泵齒輪與曲軸齒輪不平行,導(dǎo)致齒輪嚙合在邊緣,產(chǎn)生振蕩,平穩(wěn)性差,造成異響。對(duì)機(jī)油泵齒輪與曲軸齒輪平行度進(jìn)行驗(yàn)證評(píng)價(jià),發(fā)現(xiàn)機(jī)油泵齒輪與曲軸齒輪平行度在0.035 mm以內(nèi),不會(huì)產(chǎn)生異響。

▲圖14 故障1無異響機(jī)油泵接觸斑點(diǎn)▲圖15 機(jī)油泵齒輪和曲軸齒輪平行仿真結(jié)果▲圖16 機(jī)油泵齒輪和曲軸齒輪不平行仿真結(jié)果

通過以上分析對(duì)故障1進(jìn)行小結(jié)。機(jī)油泵齒輪齒面波紋度較差,工作齒面存在連續(xù)波浪形態(tài)或局部較長(zhǎng)凸起、凹陷情況,機(jī)油泵會(huì)產(chǎn)生異響問題。裝配后機(jī)油泵齒輪與曲軸齒輪不平行,導(dǎo)致齒輪嚙合在邊緣,產(chǎn)生振蕩,平穩(wěn)性差,也會(huì)造成異響問題。

3.2 故障2

異響機(jī)油泵檢測(cè)結(jié)果顯示存在中心頻率為2 000 Hz的寬頻敲擊,發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 000 r/min時(shí),敲擊時(shí)間間隔為0.067 7 s,發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼前端振動(dòng)敲擊時(shí)刻與噪聲對(duì)應(yīng),敲擊間隔與機(jī)油泵轉(zhuǎn)一圈所需時(shí)間相等。

對(duì)異響機(jī)油泵進(jìn)行尺寸檢測(cè),齒形公差、齒相公差等相關(guān)參數(shù)均合格,滿足設(shè)計(jì)要求,并且接觸斑點(diǎn)檢測(cè)結(jié)果也滿足要求,確認(rèn)機(jī)油泵設(shè)計(jì)沒有問題。

異響機(jī)油泵齒輪齒部存在磕傷等異常缺陷,如圖17所示。

▲圖17 故障2異響機(jī)油泵齒輪外觀

在異響機(jī)油泵齒輪距離磕傷處20個(gè)齒處人為制造相似磕傷,如圖18所示,用于驗(yàn)證異響是否由磕傷造成。20個(gè)齒基本對(duì)應(yīng)90°。對(duì)人為磕傷機(jī)油泵齒輪裝機(jī),進(jìn)行振動(dòng)檢測(cè),結(jié)果如圖19所示。圖19顯示在原周期性振動(dòng)的基礎(chǔ)上,每次振動(dòng)之后1/4周期多出一次振動(dòng),對(duì)應(yīng)人為磕傷位置。由此驗(yàn)證機(jī)油泵齒輪磕傷,與平衡軸不正常嚙合,造成異響。

▲圖18 故障2異響機(jī)油泵齒輪人為磕傷

▲圖19 故障2人為磕傷機(jī)油泵齒輪振動(dòng)檢測(cè)結(jié)果

通過以上分析對(duì)故障2進(jìn)行小結(jié),機(jī)油泵敲擊異響的產(chǎn)生原因?yàn)闄C(jī)油泵齒輪磕傷。

4 優(yōu)化措施

對(duì)于故障1,將機(jī)油泵齒輪的齒形公差和齒相公差控制在2.0 μm以內(nèi),有效工作齒面嚴(yán)禁出現(xiàn)連續(xù)波浪形態(tài)或局部較長(zhǎng)凸起、凹陷情況,同時(shí)將機(jī)油泵齒輪與曲軸齒輪的平行度控制在0.035 mm以內(nèi)。

更換機(jī)油泵,機(jī)油泵齒輪齒形公差和齒相公差實(shí)測(cè)為1.9～2.0 μm,機(jī)油泵齒輪與曲軸齒輪平行度小于0.035 mm,裝機(jī)后主觀評(píng)價(jià)無嘯叫異響,優(yōu)化措施有效。

對(duì)于故障2,機(jī)油泵齒輪工作表面不允許有磕傷。更換齒輪無磕傷的機(jī)油泵,振動(dòng)檢測(cè)結(jié)果如圖20所示,主觀評(píng)價(jià)無敲擊異響,優(yōu)化措施有效。

▲圖20 無磕傷機(jī)油泵齒輪振動(dòng)檢測(cè)結(jié)果

由此可見,針對(duì)兩起故障的優(yōu)化措施均有效。

5 結(jié)束語

筆者針對(duì)兩起發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油泵異響故障進(jìn)行分析,判定失效模式,提出優(yōu)化措施,解決了機(jī)油泵異響問題。在日常工作中,控制機(jī)油泵齒輪工作齒面波紋度,避免工作齒面突起、凹陷,并控制機(jī)油泵齒輪與曲軸齒輪平行度,可以有效解決機(jī)油泵嘯叫異響問題。通過優(yōu)化供方生產(chǎn)工藝、物流轉(zhuǎn)運(yùn)及裝配工序,避免機(jī)油泵齒輪在制造、運(yùn)轉(zhuǎn)、裝配環(huán)節(jié)產(chǎn)生磕碰等,可以避免機(jī)油泵敲擊異響問題。